（测试计量技术及仪器专业论文）CCD木材几何尺寸自动检测系统的研究及应用.pdf

摘要 电荷耦合器件( c c d ) 是一种集光电转换、电荷存贮、电荷转移为一体的传感 器件。利用c c d 器件本身所具有的自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑、 像素位置准确等特性进行测量时，具有测量精度高、价格低廉、易于维护、操作 容易等优点。因此，它可以满足高效率、自动化、动态检测、非接触测量等要求， 在工程实际检测中，尤其是对物体几何尺寸的测量方面具有很强的优势。 本文在查阅大量文献并研究和分析了c c d 器件的基本原理以及c c d 检测 系统工作原理的基础上，提出了c c d 木材几何尺寸自动检测系统的设计方案 本文从硬件和软件两方面详细地阐述了c c d 木材几何尺寸自动检测系统的 设计过程。介绍了电路元器件的选取和相关硬件电路的设计方案，系统的硬件部 分包括c c d 图像采集系统的硬件结构设计以及单片机数据采集通信系统的设 计。软件部分采用模块化设计思想和面向对象的编程技术进行开发，根据不同的 功能，将软件系统分成五个程序模块，分别为图像采集模块、光电门( 控制) 信 号采集通信模块、串口通信模块、数据计算处理模块、数据管理模块和界面模块。 文中介绍了各个模块所实现的功能和设计的过程，包括程序流程图及程序的设 计。最后，论文对系统软、硬件进行了语法与功能调试，对木材的几何尺寸进行 了实际测量，并对测量的结果进行了讨论和误差分析。 研究结果表明本检测系统所采用的方案和方法是可行的和正确的，各项性能 和指标均达到了预期的要求。本检测系统可以解决传统的木材尺寸人工测量的低 效率和易带来人为误差等问题。本课题研究具有较大的理论和实际意义。 关键字：c c d ；木材自动检测；单片机；串口通信；v c + + ；数据库 s t u d yo ut h ec c d w o o db o a r dd i m e n s i o n a u t o m e a s u r i n gs y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ( c c d ) a r es e n s o r sw h i c hi n g r a t et h eo p t i c st o e l e c t r o n i c sc o n v e r s i o n , c h a r g es t o r a g ea n dc h a r g et r a n s i t i o n t h ea d v a n t a g e so fc c d i nm e a s u r c r f l c n ta r eh i g ha c c u r a c y , l o wc o s t , e a s ym a i n t e n a n c ea n d s i m p l e m a n i p u l a t i o nc t e a si th a ss u c hf e a t u r e s a ss e l f - s c a n n i n g ，h i g ha s p e c tr a t i o ，h i g h s e n s i t i v i t y , c o m p a c ts t r u c t u r ea n da c c u r a t ep i t c hp o s i t i o n t h e r e f o r e ，i tm e e t st h e n e e d so fh i g he f f i c i e n c y , a u t o m a t i o n , o n l i n ed e t e c t i o na n dn o n c o n t a c td e t e c t i o n , w h i c hm a k ei t s e l fq u i t ec o m p e t i t i v ei nt h em e a s u r e m e n t , e s p e c i a l l yi nt h ed i m e n s i o n o f o b j e c t t h i sp a p e ri sb a s e do nn u m e r o u sr e s e a r c hw o r k sa n ds t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h e c c db a s i ct h e o r ya n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ec c dm e a s u r e m e n ts y s t e m a n dt h e n , w ep u tf o r w a r dad e s i g np r o j e c ta b o u tt h ec c dw o o db o a r da u t o - m e a s u r i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g np r o c e s so f t h ec c dw o o db o a r da u t o m e a s u r i n gs y s t e m w a ss t a t e di nd e t a i li na s p e c to f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ed e s i g np r o j e c to f t h e c o m p o n e n t ss c l e c t e aa n dr e l a t e dc i r c u i to f t h eh a r d w a r ew a sp r e s e n t e d t h eh a r d w a r e p a r to ft h i ss y s t e mi n c l u d e dh a r d w a r es t r u c t u r ed e s i g no ft h ec c di m a g ea c q u i s i t i o n s y s t e ma n dm i c r o c o n t r o l l e ru n i ts y s t e mo ft h ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o m m u n i c a t i o n d e s i g n t h ei d e ao f m o d u l a r i z a t i o na n do b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yw e l - e a d o p t e dt od e v e l o pt h es o f t w a r ep a r to ft h i ss y s t e m a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no f p r o g r a m , t h es o f , w a r es y s t e mw a sd i v i d e di n t of i v ed i f f e r e n tm o d u l e s ，w h i c h i n c l u d i n gi m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，c o n t r o ls i g n a la c q u i s i t i o na n dc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i m o d u l e , d a t ac a l c u l a t i o na n dm a n i p u l a t i o nm o d u l e ， d a t am a n a g e m e n tm o d u l ea n di n t e r f a c em o d u l e n l ef u n c t i o na n dt h ed e s i g n p r o c e s s e so f e a c hm o l dw e r ei n t r o d u c e di np a r t i c u l a r l y , p r o c e d u r ef l o wc h a r ta n dt h e d e s i g no ft h ep r o g r a m m i n g t h ep a p e rm a d eaw h o l et e s to ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo ft h es y s t e m , t h ed i m e n s i o no fw o o dw a sm e a s u r e dt h r o u g ht h i s a u t o - m e a s u r i n gs y s t e ma n dt h ee r r o ro ft h em e a s u r e dr e s u l t sw e r ed i s c u s s e da n d a n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a di n d i c a t e dt h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yf o rt h e p r o j e c ta n dm e t h o do f t h i sa u t o m e a s u r i n gs y s t e m a n di th a da c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e d r e q u e s t t h i sa u t o - m e a s u r i n g s y s t e mc o u l ds o l v ep r o b l e mb r o u g h t a b o u tt h e t r a d i t i o n a la r t i f i c i a lm e a s u r et h a tt h em e a s u r ew a sl o we f f i c i e n ta n dw a si n f l u e n c e db y t h ep e r s o ne a s i l y t h er e s e a r c ho f t h i sp a p e rh a sg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：c c d ，w o o db o a r da u t o m e a s u r i n g m i c r o c o n t r o l l e ru n i t , s e r i a l c o m m u n i c a t i o n , v i s u a lc + + d a t a b a s e 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名：滕辉 导师签名： 日期 搿擎怎 2 。7 6 ，f 护 致谢 本论文是在我的导师封维忠副教授的悉心指导下完成的。在我攻读硕士研究 生期间，封老师不仅为我提供了良好的学习条件和科研工作环境，还在学术思想 和生活上给予我许多启发和引导。导师渊博的学识、丰富的实践经验、敏捷的思 维、严谨的治学态度、诲人不倦的育人精神和忘我的工作作风使我受益匪浅。他 时刻在激励、鞭策着我锐意进取，拼搏奋进! 封老师高尚的师者风范、渊博的知 识领域是我学习的不竭动力，这将对我今后的学习工作和生活产生深远的影响。 在论文完成之际，谨向我尊敬的导师致以崇高的敬意和由衷的感谢。 在论文研究过程中，也得到了业宁老师、时维铎老师等各位老师的帮助、指 导和启发。在此向他们表示真诚的谢意。同时也感谢给予我的热心帮助的所有同 学。 感谢在三年的学习生活中与我朝夕相处的同学以及同实验室的宋换荣、殷冬 萌、王建文、王伟军、周昀、王玉红、马文杰、蔡芳芳等，他们给了我许多的关 心和帮助，是我学习和生活中的良师益友。 最后，向百忙中抽出时间审阅论文和参加答辩的各位老师以及所有帮助过我 的老师和同学表到深深的感谢。 谨以此文献给我的家人及女友吴颖，正是他们多年来浓浓的亲情、无尽的关 爱、无私的奉献，以及对我学业最大的理解和支持，使我勇敢地面对各种压力与 挑战，在人生道路上顺利成长 1 1 课题来源及产生背景 第一章绪论 近年来c c d l l 】【2 】( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 图像传感器已在航空航天、卫星侦察、遥 感遥测、光学图像处理等领域得到了广泛地应用，尤其是在物体几何尺寸的非接触检测方 面，更引起人们的高度重视。由于线阵c c d 例( l i n e a rc h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 图像传感 器具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其自扫描等特性，因而，由线 阵c c d 、光学成像系统、计算机数据采集和处理系统构成的一维尺寸测量系统，具有测 量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无 法比拟的。这种测量方法往往无需配置复杂的机械运动机构，从而减少了产生误差的来源， 使测量更准确、更方便 1 1 现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。 在现代测试技术快速发展的今天，计算机由于其速度快，工作可靠性高，己成为自动检测 系统中不可缺少的重要组成部分，高性能的计算机软件技术更是构建智能型，集成化自动 检测系统的关键。 在木材制造加工工业中，传统的木材材积测量与计算一直采用人工的方法：先由人 工用卷尺或卡尺量取木材的长度和宽度( 按照国家标准经测量和计算，进舍后得到) ，通 过查找材积手册得到单根木材的材积；然后，经过逐根测量和累加计算得到整堆木材 的材积；最后，将木材材积逐堆累加之后才能得到木材的进货量。所以采用人工测量和计 算木材材积的方法工作量是非常大的。另外。由于采用的是人工测量的方法，因而测量的 准确性受人为因素的影响很大，而由于劳动强度高，工作环境恶劣以及个别操作人员责任 心不强也极易造成人为误差。针对于木材材积的测量，人们研究了很多方法，除了人工测 量外，还有称重测量法，视觉平面测量法等等。但这些方法在测量过程中，均受人为因素 的影响较大，测量结果的准确度难于得到保证，测量的效率非常低 随着木材制造加工工业向集成化、自动化、智能化、信息化的方向发展，一些生产 单位、公司，企业和科研部门对木材的几何尺寸测量提出了新的、更高的要求，希望能用 先进、科学的方法设计出令人满意的在线动态，精确的检测系统，以提高材料加工的质量 和生产效率，创造出更多的社会价值。而采用先进的方法特别是融合新的传感器、光电技 术和计算机等技术，研制出快速、精确，实时、可靠的木材几何尺寸自动检测系统，一直 是国内外科学工作者努力解决的难题之一【4 l 。 针对这个问题，我们选取了结合现代传感器技术、光电技术和计算机技术的c c d 木 材几何尺寸自动检测系统作为研究对象，从理论和实践两个方面对木材的测量问题进行了 深入的研究 1 2 c c d 的发展及应用 1 2 1c c d 的发展概况 电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，简称c c d ，是一种集光电转换、电荷存储、 电荷转移为一体的传感器件 5 】。它的主要功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传 感器光敏面上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号视频信号，视频信 号能再现入射的光辐射图像。 自从1 9 6 9 年由美国贝尔实验室开发出第一块c c d 芯片以来，c c d 技术进展一直紧 密地与应用和制造技术联系在一起。发达国家8 0 年代初c c d 摄像机开始批量推向市场， 8 0 年代中期形成规模生产。c c d 从8 0 年代初以2 3 英寸芯片为基础，趋向小型化，高灵 敏度，用于监视，检测，图像识别等领域。目前世界民用c c d 将近8 0 由日本公司生产。 8 0 年代后期开始出现l 英寸2 0 0 万像素和2 3 英寸1 3 0 万至2 0 0 万像素器件。二十世纪 九十年代c c d 图像传感器已经被各个学科领域所重视，并在各个学科领域得到广泛地应 用。进入2 0 0 0 年后，c c d 图像传感器技术的研制和开发呈加速发展状态，多种新型c c d 图像传感器问世，6 0 0 万到1 0 0 0 万像素的c c d 数码相机和摄像机已经进入市场。 目前，德州仪器公司的c c d 已提高到2 0 0 0 万像元以上，福特空间公司已推出了 2 0 4 8 x 2 0 4 8 、4 0 9 6 x 4 0 9 6 像元帧转移c c d ，日本日电公司制成4 0 9 6 x5 2 0 0 像元的超高分 辨率c c d 数字摄像机，分辨率高达1 0 0 0 1 0 0 0 条t v 线，加拿大达尔萨公司推出 5 1 2 0 x 5 1 2 0 像元帧转移c c d ，荷兰菲利浦成像技术公司研制成功7 0 0 0 x 9 0 0 0 像元c c d ， 美国亚利桑那大学报道了9 1 2 6 9 1 2 6 像元c c d ，欧洲南部天文台正开发1 6 0 0 0 1 6 0 0 0 像 元c c d 。目前美国、日本、德国和法国部分公司已开发出长线阵和大面阵可见光以及多 针相模式工作的c c d ( m p p c c d ) 图像传感器。近年来，c c d 图像传感器像元数的竞争 实际上就是像元尺寸缩小的竞争。比如日本松下开发的c c d 图像传感器芯片尺寸为 1 1 m 册1 3 4 r a m ，这一微型c c d 技术可广泛用于视频摄像机以外的领域。为了开发单片 式低成本摄像机，研究重点也更多地转向互补金属氧化物半导体( c m o s ) 有源像素图像 传感器( a p s ) 方面，它将成为数字相机、摄像机和高清晰度电视( i - i d t v ) 的关键器件。 我国的c c d 摄像器件开发始于7 0 年代末，由于我国半导体工艺技术水平落后于国 外，同时有些国家限制高科技技术出1 ：3 ，加上国外价廉质优的c c d 器件及产品的冲击， 使我国在这一领域与国外的差距进一步加大。但近年来由于人们对c c d 的普遍关注，形 成了c c d 研究开发及应用的热潮，取得了很多有意义和价值的研究成果。 1 2 2c c d 的应用技术 c c d 应用技术是一项具有广泛应用前景的新技术。三十多年来，c c d 技术取得的惊 人进展足以说明这一点。c c d 已经在三大领域得到广泛应用：摄像，信号处理和存储。 它之所以能在图像测量领域中得到广泛的应用，是因为它具有灵敏度高、体积小、动态范 围大、转换效率高、功率低、寿命长、性能稳定等优点【1 1 1 3 1 。 c c d 用于测量的研究于上世纪九十年代末进入火热期，国内外科研工作者在这个领 域进行了广泛、深入的研究并获得了丰硕的成果。c c d 测量具有无接触、准确度高、便 于计算枧处理，易于和自动控制设备连接等优势，因此c c d 用于测量的研究一直延续到 现在 目前，国外许多大学，科研机构都把c c d 与光学仪器相结合，研制了许多应用c c d 来实现光电转换的新型光电测量仪器。如瑞士豪泽( h a u s e ) 公司研制的h 6 0 2 型光电测 量投影仪就是在普通投影仪的基础上，加上高精度光栅定位系统及计算机处理系统，并以 c c d 器件作为光电瞄准头，进行动态瞄准及自动采样，使测量效率得到了很大的提高， 劳动强度也大大降低，数据处理方便，准确。 美国o g p 公司研制的图像测量系统( s m a r ts c o p e2 0 0 d e 0m e a s u r i n o s y s t e m ) 具有精密的x y z - r 作台，采用变焦镜头。实现对工件的自动调焦由于该系 统把标准件安放在了镜头晕，可随时对系统进行标定，因此使用非常方便。该系统单轴测 量精度为2 5u m 为了保证图像视场能得到均匀的照明，该系统采用了光纤环行灯照明， 工作台采用步进电机进行驱动，保证了快速搜索待测要求。该系统的软件采用可视化编程， 具有良好的人机界面，同时配有各种各样的电子测量准星，以适应测量刁：同类型工件的需 要 ， 近年来，国内许多单位和科研院所也把c c d 测量技术应用于对各种物体材料几何尺 寸的检测上，研制了许多新型光电的测量系统。如天津大学以c c d 传感器为核心检测玻 璃管的尺寸，整个系统由微机控制，使用方便可靠；i ：上及将c c d 传感器应用于光电精密 测径系统中，系统实测的综合误差为0 0 0 3 m r ，超过使用所要求的o 0 0 5 m m 的测量精 度。该光电精密测径系统不仅检测精度高，而且测试速度快，单点的测试效率不超过5 秒，工作稳定可靠，操作方便。 c c d 测量技术在其他方面也得到了很好的应用和创新，清华大学研制出一种基于 c c d 传感器的人体运动图像的检测方法，它采用图像动态采集及标志点自动识别跟踪技 术，实现了运动图像的采集与分析，并用该方法构建了二维和三维人体运动图像检测分析 系统，将其运用与人体步态和入手运动分析。 目前，国内利用c c d 进行工业实时在线检测的系统不多，而且精度不高，与国外的 c c d 测量技术相比还有一定的差距。 1 3 本论文研究的意义 将现代的传感器技术、光电技术和计算机技术引入到木材几何尺寸自动检测中，使 测量方式、方法发生了深刻的变革，在实际工程中应用将会取得良好的效果，它使测试工 作变得简单，快捷，工作量减少，准确度更高，提高工作效率：以计算机为核心的自动检 测系统，硬件是基础，软件是灵魂软件设计贯穿于测试系统的研制，开发和使用各个环 节中，系统的实现效果与所采用的软件技术密不可分，综合运用最新的软件处理技术对于 推进木材几何尺寸检测领域的集成化，智能化进程，节约木材资源提高木材板材的质量和 劳动生产率，降低产品成本具有重要的意义，拥有广阔的应用前景，能更好地为生产单位 和科研院所服务 1 4 本论文所要进行的工作 本论文着眼于线阵c c d 检测原理及其传感器在木材几何尺寸自动检测系统的应用 研究，主要进行以下几个方面的工作： 1 根据功能要求对c c d 木材几何尺寸自动检测系统进行方案整体设计。 2 研究c c d 的基本工作原理和检测原理，重点分析t c d l 2 0 6 s u p 线阵c c d 及其驱 动器的主要特性，以及a d a l l g h p c i 数据采集卡的主要特点和功能原理 3 单片机系统的硬件设计及p c b 扳的绘制。硬件设计主要完成两路光电门信号的采 集及与计算机的串口通信。通过p m t e l9 9 s e 绘制硬件电路原理图和p c b 图。 4 c c d 木材几何尺寸自动检测系统的软件设计。本软件运用面向对象技术和模块化 的设计方法，采用c 及v i s u a lc h 6 0 语言编写程序，根据功能要求分力不同的模块，以 实现图像和光电门信号的采集，计算机和单片机的串口通信，测出板材的长度和宽度并将 测量结果显示、存储、条码打印等功能。 5 系统软、硬件调试。检查硬件电路无误后，通过仿真器进行硬件系统的仿真调试； 软件在k e i lc 及v i s u a lc + + 调试环境下，采用分模块的方法调试：最后对整个系统进行综 合调试。 6 分析系统产生误差的原因，并根据实验结果验证系统的可行性和可靠性。 第二章检测系统的方案设计 c c d 木材几何尺寸自动检测系统作为一个综合系统，其开发过程比较复杂，这个过 程包括根据功能要求制定总体设计方案，确定硬件结构和软件框图，绘制原理图，制作 p c b 板和编写程序；系统仿真调试：脱机运行调试以及性能测试等 2 1c c d 检测系统的组成、功能及工作原理 2 1 1c c d 检铡系统的组成和功能 本系统主要由线阵c c d 传感器、光学系统、c c d 数据采集卡、光电门电路、单片机 采集通信系统、计算机和外部设备组成。系统框图如图2 - i 所示：、 光电门信号卜剖单片机系统卜刮 串e l 通信 挣制信号ll 户1 显示 c c d 木材板材卜纠 传感器卜爿图像采集卡卜一 驱动器 薹睁茵 _ 岖圃 图2 1c c d 检测系统框图 本论文所研究和开发的c c d 木材几何尺寸自动检测系统具有以下功能： 1 实现对木材板材图像数据的采集和显示，自动检测出木材板材的几何尺寸。 2 能够对光电门控制信号进行采集、存储与通信，以控制系统对板材的测量。 3 建立数据库，以实现对测量数据的管理。 4 测量结果能够及时的显示和保存，并能以条码的形式打印。 5 计算机与单片机之间实现串口通信。 2 1 。2c c d 检铡系统的工作原理 被检测的板材以一定的速率在机械传送带上运动，当其进入测量范围后，板材头部遮 挡到光电门，计算机开始计时，并在光源的照射下，板材头部的光信息通过光学成像系统 成像于c c d 的光敏阵列面上，c c d 的光敏像元将其上的光强度转换成电荷量。c c d 在 一定的时钟脉冲的驱动下，在输出端获得板材头部的视频信号并输出给图像采集卡，图像 采集卡再将视频信号转换成数字信号供计算机处理和显示，计算机根据光强量化后的结果 进行二值化处理及运算，即可计算出待测板材的头宽度。当板材尾部离开光电门( 即不再 遮挡光电门) 时，计算机停止计时，得出的这段时间差再乘以传送带的速度就可以计算出 板材的长度；同时。与检测板材的头宽度的方法一样，测量出板材的尾宽度。c c d 两次 测出板材的头部宽度和尾部宽度，由计算机程序计算出板材的平均宽度。计算机实时地将 测量的数据存入数据库，并根据需要进行查询，修改，打印等操作。 2 2 c c d 检测系统各功能子系统设计 2 2 1c c d 图像采集系统硬件结构设计 该部分的工作是对整个c c d 图像采集系统进行硬件结构的设计，它由光学系统、线 阵c c d 传感器及驱动器、c c d 数据采集卡和计算机组成。主要负责采集木材板材的图像 数据，经过处理和转换进而测量出木材板材几何尺寸宽度的数据。此系统以计算机为核心， c c d 摄像头将其接收到的光学影像转换成视频信号输出给c c d 图像采集卡，图像采集卡 再将视频信号转换成数字图像信息供计算机处理和显示，计算机根据光强量化后的结果进 行二值化处理及运算，即可计算出待测板材的宽度，其系统构成结构框图如图2 2 所示： 图2 - 2c c d 图像采集系统框图 2 2 2 单片机数据采集通信系统设计 单片枫数据采集通信系统由光电门信号采集和串口通信两部分组成，以a ：r 8 9 c 5 5 单 片机为核心，通过a d 转换器a d c 0 8 0 9 实现对光电门信号的采集；根据r s 2 3 2 接口标 准，采用m a x 2 3 2 芯片实现m 和c m o s 的电平转换，使单片机能够与计算机进行串 口通信。如图2 3 所示： 电门信号 a d 转换串口通信电平转换 a d c a t 8 9 c 5 5 疆a x 0 8 0 92 3 2 p c 图2 3 单片机数据采集通信系统 该部分使用p r o t e l9 9 s e 绘制整个电路的原理图，并制作出p c b 电路板，在k e i li d e ( u v i s i o n 2 ) 集成丌发环境中采用c 语言进行程序的开发和仿真。 2 2 3 计算机软件系统设计 计算机终端上的软件可以完成多种功能：被测木材板材图像的采集、测量和显示；数 据的管理；串e l 通信等基本功能在这部分的设计中，数据通信和数据库的开发占有及其 重要的地位，它不仅影响整个系统的实现方法和运行效率，还关系到数据的安全性和一致 性。 该部分主要采用模块化设计思想和面向对象的技术，根据程序实现的功能分成不同的 模块，如图像采集模块、光电门信号采集通信模块、数据计算处理模块、数据管理模块、 界面设计模块等。运用c 和v i s u a lc + + 6 0 编程语言作为软件的开发工具，对c c d 检测 系统进行软件开发，以实现图像采集：光电门控制信号采集：单片机与计算机串口通信； 尺寸检测并可显示、处理、分析、存储和输出及构建友好的人机界面等基本功能。 2 3 本章小节 本章主要介绍了c c d 木材几何尺寸自动检测系统的组成、功能和工作原理，并对各 功能子系统的设计进行了简要的介绍。 第三章光电耦合器( c c d ) 驱动电路 3 1 电荷耦合器件( c c d ) 的基本工作原理” 电耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或电压 为信号。c c d 的基本工作原理是电荷的存储和电荷转移。 c c d 器件有两种基本类型。一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界 面传输，这类器件为表面沟道c c d ；二是电荷包存储在离半导体表面有一定深度的体内， 并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件为体沟道c c d 。 3 1 1 电荷存储 构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。如图3 - l a ) 所示， 在栅极g 施加正向偏置电压u r ，之前，p 型半导体中空穴( 多数载流子) 的分布是均匀 的。当栅极g 施加正向偏置电压玩，( 此时小于p 型半导体的阈值电压) 后，空 穴被排斥，产生耗尽区，如图3 1 ( b ) 所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体 内延伸。当( 厶 l ，f 时，半导体与绝缘体界面上的电势( 通常称为表面电势，用o 。表示) 将变得非常高，使得半导体内的电子( 少数载流子) 吸引到表面上来，形成一层极薄的( 约 1 0 五g m ) 但电荷浓度很高的反型层，如图3 1 ( c ) 所示。反型层电荷的存在表明m o s 结 构有存储电荷的功能。当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，轻掺杂半导体中的少数载 流子很少，不能立即建立反型层在不存在反型层的情况下，耗散区将进一步向体内延伸， 而且，栅极和衬底之前的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果随后可以获得少数载流子， 那么耗尽区将收缩，表面电势。下降，氧化层上的电压增加。当提供足够的少数载流子 时，表面电势可降到半导体费密能级中，的两倍。 金 氧 d 型将佑耗尽区反型屠 ( a ) ( b )( c ) 图3 - 1 单个c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响 ( a ) 栅极电压为零( b ) 栅极电压小于阈值电压( c ) 栅极电压大予阈值电压 表面势中，随反型层电荷浓度q 册，、栅极电压q 的变化如图3 - 2 和图3 - 3 所示。图3 - 2 中的曲线表示在掺杂为1 0 2 1 铡- 3 的情况下，对氧化层的不同厚度在不存在反型层电荷时， 8 表面势中，与反型层电荷密度的关系曲线。图3 - 3 为栅极电压不变的情况下，表面势o 与 反型层电荷密度的关系曲线 图3 - 2 表面势，与栅极电压的关系 图3 - 3 表面电势o ，与反型层电荷密度k 曲线的直线性好，说明表面势。与反型层电荷浓度q m ，有着良好的线性关系。这种 线性关系可以用半导体物理中的“势阱”的概念来描述。电子所以被加到有栅极电压【的 m o s 结构吸引到氧化层与半导体的交界面处，是因为那里的电势能最低。在没有反型层 电荷时。势阱的“深度”与栅极电压的关系如0 。与的线性关系。如图3 4c a ) 所 示图3 - 4 ( b ) 为反型层电荷填充l ，3 势阱时，表面收缩，表面势o 与反型层电荷浓度 ( k 的关系如图3 - 3 所示当反型层电荷足够多，使得势阱被填满时，o 。降到2 0 ，此时， 表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象这样，表面势可作为势阱深度的 度量，而表面势又与栅极电压c ，g 氧化层的厚度如。有关，即与m o s 电容电路c 0 与c 的 乘积有关。势阱的横截面积取决于栅极电极的面积a 。m o s 电容存储信号电荷的容量为 q = c 矗a ( 3 - 1 ) 9 3 1 2 电荷耦合 图3 - 4 势阱 ( a ) 空势阱( b ) 填充1 3 势阱( c ) 全满势阱 在移位脉冲的作用下。c c d 中势阱及电荷将从一个位置移动到另一个位置。其原理 如图3 - 5 。图中有四个彼此靠的很近的电极。假设开始时有一些电荷存储在偏压为1 0 v 的 第一个电极下的势阱中，其他电极上均加有大于阈值的较低电压( 如2 、7 ) 设图3 - 5c a ) 为零时刻( 初始时刻) 。经过t 。时刻后，各电极上的电压变为如图3 5 ( b ) 所示，第一个 电极仍然保持为1 0 v ，第二个电极上的电压由2 v 变到1 0 v ，因为两个电极靠的很近( 间 隔只有几个微米) ，它们各自的对应势阱将合并到一起，原来在第一个电极下的电荷变为 这两个电极下势阱所共有。如图3 - 5 ( b ) 和图3 - 5 ( c ) 。若此后电极上的电压变为如图3 - 5 ( d ) 所示，第一个电极电压由1 0 v 变到2 v ，第二个电极电压仍为1 0 v ，则共有的电荷 转移到第二个电极下面的势阱中，如图3 - 5 ( e ) 由此可见，势阱及电荷包向右移动了一 个位置。 0o0囝d0囝 囝 000 立占玉占a 也玉邑岛五邑邑 爵茑百 ( a )( b )( c ) ( a ) 初始状态( b ) 电荷由电极向电极转移( c ) 电荷在、电极下均匀分布 国o o囝囝o 国 盘iff髫 驰墨勉：墨占墨占立出口1 1 、几厂 1 定r _ 藿rq 吭 ( d )( e )( f ) ( d ) 电荷继续由电极向电极转移( e ) 电荷完全转移到电极( f ) 三相交替脉冲 图3 5 三相c c d 中电荷的转移过程 l o 通过将一定规则变化的电压加到c c d 各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面 按一定方向移动。通常把c c d 电极分为凡组每一组称为一相，并施加同样的时钟脉 冲c c d 的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数 图3 5 所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图3 5 ( f ) 所示，这样的c c d 称 为三相c c d 。三相c c d 的电荷耦合( 传输) 方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能以一 定的方向逐单元地转移。另外必须强调指出c c d 电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍 地从一个电极下转移到相邻电极下如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒 隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，c c d 便不能在外部脉 冲作用下正常工作。 能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决定理 论计算和实验证实为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的长度 应小于3u m 。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸当然如果氧化层厚 度、表面态密度不同，结果也会不同。但对绝大多数c c d ，1 埘的间隙长度是足够小的。 以电子为信号电荷的c c d 称为n 型沟道c c d ，简称为1 1 型c c d 。而以空穴为信号 电荷的c c d 称为p 型沟道c c d 。简称为p 型c c d ，由于电子的迁移率( 单位场强下的 运动速度) 远大于空穴的迁移率，因此n 型c c d 比p 型c c d 的工作频率高得多。 3 1 3 电荷的注入( 输入方式) 在c c d 中，电荷的注入方式主要有光注入和电注入两种 1 、光注入 当光照到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体内产生电子一空穴对，其多数载流 子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式可分为正面 照射式和背面照射式。如图3 - 6 所示。 嶷铽 图3 6 背面照射式光注 光注入电荷 9 0 = r l q a n 。a 7 ( 3 2 ) 式中：r 为材料的量子效率；窖为电子电荷量；为入射光的光子流速率；a 为光 敏单元的受光面积；z 为光注入时间 从式( 3 - 2 ) 可以看出，当c c d 确定后，r 、q 、a 均为常数，注入到势阱中的信号电 荷q k 与入射光的光子流速a n 。和时间乏成正比注入时间罨是由c c d 驱动器的转移脉 冲周期瓦，决定。当所设计的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时，注入到c c d 势阱 中的信号只与入射辐射的光子流速a k 成正比。而在单色入射辐射时，入射光的光子流速 与入射光谱幅通量的关系为。= 。h v ，其中h 、，、五均为常数。因此。在这种情况 下，光注入的电荷量与入射的光谱辐射量中。成线性关系。该线性关系是应用c c d 检测 光谱强度和进行多通道光谱分析的理论基础。 2 、电注入 所谓电注入是指c c d 通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或 电流转换为信号电荷。常用的方法有电流注入法和电压注入法。 ( 1 ) 电流注入法 如图3 - 7 ( a ) 所示，由矿扩散区和p 型衬底构成注入二极管。i g 为c c d 的输入栅， 其上加适当的正向偏压以保持开启并作为基准电压。模拟输入信号u 。加在二极管i d 上 当巾，为高电平时，可将以+ 区( i d 极) 看作m o s 晶体管的源极，i g 为其栅极，饥为其 漏极。当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为： t _ k wc z o x ( 一一) 2 式中：矿为信号沟道宽度；k 为注入栅i g 的长度；是载流子表面迁移率；c 0 为 i o 栅电容。 聒 i 屯 跖，i l t 图3 7 电注入方式 c a ) 电流注入( b ) 电压注入 经过疋时间注入后，m ：下势阱的信号电荷量为： 脚等孚( - - u i g - - 蚶乏 ( 3 q ( 2 ) 电压注入法 如图3 - 7 ( b ) 所示，电压注入法与电流注入法类似，也是把信号加到源极扩散区上， 所不同的是输入i g 电极上加有与o ，同相位的选通脉冲，但其宽度小于中：的脉宽在选 通脉冲的作用下，电荷被注入到第一个转移栅o ，下的势阱里，直到势阱的电位与矿区的 电位相等时，注入电荷才停止。，下势阱中的电荷向下一级转移之前，由于选通脉冲已 经中止，输入栅下的势垒开始把中，下和以+ 的势阱分开，同时，留在i g 下的电荷被挤到m ， 下和h + 的势阱中。由此而引起的起伏，不仅产生输入噪声，且使信号电荷q 与u ，d 线性关 系变坏。这种起伏，可以通过减小i g 电极的面积来克服。另外选通脉冲的截止速度减慢 也能减小这种起伏。电压注入法的电荷注入量q 与时钟脉冲频率无关。 3 1 4 电荷的检测( 输出方式) 在c c d 中，有效的收集和检测电荷是一个重要的问题。c c d 的重要特性之一是信 号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避免因此，选择 适当的输出电路可以尽可能的减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度。目前c c d 的 输出方式主要有电流输出，浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。 l 、电流输出 如图3 8c a ) 所示，当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末极电极( 图中o ， 电极) 下的势阱中后，西，电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷将通过输 出栅( 加有恒定电压) 下的势阱进入反向偏置的二极管( 图中区) 。由、电阻r 、衬 底p 、器+ 区构成反向偏置二极管相当于无限深的势阱。进入到反向偏置的二极管中的电 荷，将产生输出电流l ，且，d 的大小与注入到二极管中的信号电荷量成正比，而与电阻 r 成反比。电阻r 制作在c c d 内，阻值固定，所以输出电流厶与注入到二极管中的电 荷量成线性关系，且 g = 毛击 ( 3 5 ) 皤掣旺! 山 i 呈璺一 图3 8 电荷输出电路 ( a ) 电流输出方式( b ) 浮置扩散放大器输出方式( c ) 浮置栅放大器输出方式 2 、浮置扩散放大器输出 如图3 8 ( b ) 所示，前置放大器与c c d 同做在一个硅片上，五为复位管，五为放 大管复位管在o ：下的势阱未形成之前，在r g 端加复位脉冲中。，使复位管导通，把浮 置扩散区剩余电荷抽走，复位到。而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集 的信号电荷来控制兀管栅极电位变化。设电位变化量为【，则有 a u ：娶( 3 呦 c q d 、 式中：c 。是与浮置扩散区有关的总电容量如图3 - 9 所示，总电容包括浮置二极 管势垒电容q 和o g ，d g 与f d 间的耦合电容c l 、c 2 ，及t 管的输入电容q ，即 = c d + c i + c 2 + c | ( 3 - 7 ) 经放大器放大髟倍后，输出信号为： = 墨a u ( 3 - 8 ) 以上两种输出机构均为破坏性的一次性输出。 图3 - 9 浮置扩散区f d 的等效电容 3 、浮置栅放大器输出 图3 8 ( c ) 为浮置栅放大器输出。正的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连， 而是与沟道上面的浮最栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应 出镜像电荷，以此来控制瓦的栅极电位，达到信号的检测与放大的目的。这种如图3 1 0 所 示的机构可以实现电荷在转移过程中进行非破坏性检测，由转移到电下的电荷所引起